光伏系统ppt

光伏发电系统的设计,童才能,一、光伏发电的发展现状,1、太阳能应用背景2、光伏发电的优点3、光伏发电系统面临的关键技术4、光伏系统待研究的问题5、光伏技术的应用领域6、国内外光伏产业的发展现状,1、背景,太阳能是用之不尽的环保资源，它的利用越来越受到人们的重视，而太阳能利用的主要形式是并网发电，太阳能并网发电代表了太阳能能源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。,2、光伏发电的优点,3、光伏发电系统所面临的关键技术,4、光伏系统待研究课题,5、光伏发电的应用领域,6、光伏技术现状与发展趋势（1）,光伏技术现状与发展趋势（2）,太阳能电池分类,三大类,光伏电池应用特点,光伏技术现状与发展趋势（3）,全球光伏产业现状及趋势,全球光伏市场现状,84%,2%,7%,7%,84%,7%,7%,2%,并网发电,消费产品和服务,离网工业应用,农村电气化,我国光伏市场现状,送电到乡、照明示范工程、04深圳园博园、08奥运场馆、2010上海世博会场馆,07年光伏系统安装20MWp，是光伏电池产量1.84%，累计安装100MWp，占世界1%,我国光伏产业存在的问题,市场发展缓慢,发展环境有待改善,存在问题,无序发展严重,产业链发展失衡,研发投入不足,我国光伏发电面临的挑战,是否510年内太阳能电池效率提高到降低成本所必需的水平,挑战,是否成本在510年内降到常规发电的水平,是否510年内中国不仅是太阳能电池的制造大国，还成为光伏发电的应用大国,我国光伏产业发展概况,我国2020年的光伏发电累计装机容量目标应定位在30 GW的水平,届时达到全国发电量的1%。,二、光伏发电系统,1、光伏发电原理2、光伏系统的主要类型3、家用光伏系统的简单介绍,光伏发电原理,基础是半导体PN结的光电效应。即当太阳或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产生电流。,光伏发电系统类型,离网系统,并网发电系统,光伏并网系统工作原理,家用光伏发电系统,三、太阳能电池,太阳电池是一种具有光生伏打效应的半导体器件(简称“光伏器件)，它直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。太阳电池由两层半导体材料组成，其厚度大约为1/100英寸，形成两个区域：一个正荷电区，一个负荷电区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。正区置于电池表层的下面，正负界而区域称为p-n结。制造电池时p-n结被赋子了恒定的特性。当阳光投射到太阳电池内保持松散状态的电子时，这时靠近p-n结的电子朝向电池的表层流动。金属线将光伏组件里每个电池的前面与下一个电池的背面相连，这样使电流通过许多p-n结，建立起所有电池的串联电压。在每个电池p-n结处的电压增加大约0.5V的电动势，这个电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的影响，较大面积的电池能够产生较强的电流,太陽能電池市場現況,太陽能電池效演進,太阳能电池的分类,太陽能電池種類佔有率,晶硅型太陽能電池结构,晶硅型太陽能電池制程,薄膜型太陽能電池结构,薄膜型太陽能電池製程,1、玻璃基板上成長一層透明導電氧化物薄膜（TCO）2、以雷射（Laser）將TCO 薄膜做圖形定義3、以PECVD 方法於TCO 上進行矽薄膜的連續鍍膜4、以Laser 進行矽薄膜圖形定義5、在矽薄膜上以PVD 方法進行金屬鍍膜6、以Laser 進行金屬薄膜圖形定義當完成全部製程後，Cell 與Cell 間藉著金屬與TCO薄膜的相連接形成程模組，最後再進行封裝就可完成一太陽電池模組。,薄膜太阳能电池的种类,非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si)CIS/CIGS(銅銦硒化物)CdTe(碲化鎘)GaAs Multijuction(多接面砷化鎵)色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)有機導電高分子(Organic/polymer solar cells,非晶硅薄膜太阳能电池,是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強，而且利用濺鍍或是化學氣相沉積方式生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉，材料成本相對於其他化合物半導體材料也便宜許多；不過缺點則有轉換效率低(約57%)，以及會產生嚴重的光劣化現象的問題，因此無法打入太陽能發電市場，而多應用於小功率的消費性電子產品市場。不過在新一代的非晶矽多接面太陽能電池(MultijuctionCell)已經能夠大幅改善純非晶矽太陽電池的缺點，轉換效率可提升到68%，使用壽命也獲得提昇。未在具有成本低廉的優勢之下，仍將是未薄膜太陽能電池的主流之一。,非晶矽薄膜太陽電池構造,非晶矽薄膜太陽電池製造程（玻璃基材）,非晶矽薄膜太陽電池製造程(玻璃基材),非晶硅薄膜太阳能电池的优点,低成本能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好(充电效率高)其他,非晶硅薄膜太阳能电池存在的问题,效率较低：单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%，而柔性基体非晶硅太阳能电池组件的效率为10%-12%，还存在一定的差距；稳定性问题：非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S反应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件；成本问题：非晶硅太阳能电池的投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定资金壁垒。且投资周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。,四、逆变器,1、分类 逆变器又称电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。2、工作原理 主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关，使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。,3、逆变器功能逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。4、逆变器的选择采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高：（1）要求具有较高的效率；（2）要求具有较高的可靠性；（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围；（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。,5、逆变器的评价 根据逆变器对离网型主要光伏发电系统运行特性的影响和光伏系统对逆变器的性能要求，一般可从以下几个方面去考虑并评价逆变器：（1）额定输出量：表征逆变器向负载供电的能力；（2）输出电压稳定度：表征逆变器输出电压的稳压能力；（3）整机效率：表征逆变器自身功率损耗的大小，通常以%表示；（4）保护功能：过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施；（5）起动性能：逆变器应保证在额定负载下可靠起动；（6）对于大功率光伏发电系统和联网光伏发电系统逆变器的波形失真度和噪声水平等技术性能也十分重要。,五、蓄电池,1、 蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，但是在较大的系统中考虑到技术成熟性和成本等因素，通常使用铅酸蓄电池。2、蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。（1）基本公式：第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。,通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度（DOD）；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50% D OD。设计蓄电池容量的基本公式见下：,下面我们介绍确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。,3、设计修正 对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因素相关：蓄电池的放电率和环境温度。首先，我们考虑放电率对蓄电池容量的影响。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，随着放电率的降低，蓄电池的容量会相应增加。这样就会对我们的容量设计产生影响。进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10小时放电率下的蓄电池容量。但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100200小时。在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。光伏系统的平均放电率公式如下：,上式中的负载工作时间可以用下述方法估计：对于只有单个负载的光伏系统，负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数；对于有多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间，加权平均负载工作时间的计算方法如下：,根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。,下面考虑温度对蓄电池容量的影响。如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就是无法满足系统负载的用电需求。在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。,这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（25）下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于25时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于25的情况下，还能完全提供所需的能量。下图所示为蓄电池温度-放电率-容量曲线：,因为低温的影响，在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效，造成蓄电池的永久损坏。铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固，随着蓄电池的放电，蓄电池中不断生成的水稀释电解液，导致蓄电池电解液的凝结点不断上升，直到纯水的0。在寒冷的气候条件下，如果蓄电池放电过多，随着电解液凝结点的上升，电解液就可能凝结，从而损坏蓄电池。即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池，其最大的放电深度也不要超过80。下图给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系，系统设计时可以参考该图得到所需的调整因子。,在设计时要使用光伏系统所在地区的最低平均温度，然后从上图或者是由蓄电池生产商提供的最大放电深度蓄电池温度关系图上找到该地区使用蓄电池的最大允许放电深度。通常，只是在温度低于零下8度时才考虑进行校正。考虑到以上所有的计算修正因子，我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式：,六、天和家/43kWp屋顶并网光伏发电系统设计,1、设计要求：a该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观，并与小区及周围环境相协调。b该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明灯352kW，地下车库东区照明灯214kW，智能化设备2kW等。要求在阴雨天气时，应能使用城市电网为公用负荷供电。c光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节省投资。维护管理方便,综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式并在小区内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网，系统原理图如图l所示。采取小区内局部并网运行方式提高了上级城市电网的安全性,2、光伏系统太阳能电池组件的配置方案,（1）最佳方阵倾角的确定 慈溪市介于北纬30002/-30024/和东经121002/ -121042/ 之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。平均年日照时数2038小时，太阳年辐射量4 0004 800MJ/m2，年日照百分率47。查阅相关资料可知，太阳能电池组件方阵最佳倾角为300。（2）太阳能电池组件的选择与布置（a）太阳能电池组件的选择 目前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达2l以上，大批量生产的单晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到14以上。该系统选用了常州天合光能有限公司生产的rlSM一175D型高效单晶硅电池组件其外形如图2所示。,（b）太阳能电池组件的布置将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、荒漠地区的独立光伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳能电池方阵按最佳倾角的要求布置，必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。,（3）太阳能组件的分组串接从系统效率考虑，直流电压越高效率就越高，住宅用电电压为220400V。安装组件时，原则上要在同一日照条件使用串联的组件，否则，其他组件会受输出量最低组件的影响导致整体输出严重下降。该方案屋面布置的太阳能电池组件在安装后的光照有两种情况：a平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等的挡光影响；b斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不同方向建筑的一定影响。,3并网逆变器选择和配置方案,（a）并网逆变器的选择并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能。（b）逆变器与电池组件的分组匹配逆变器与电池组件的分组串接如图4所示。在标准测试条件下逆变器所接入的每路组件数量、输入电压、功率如表2所示。对照表1可知，该方案逆变器与电池组件的配置是合理的，满足要求。,4太阳能光伏发电系统负载的选择,天和家园设置了高压环网站一座，在小区各负荷点设置了7个箱变，其中2#箱变为800 kVA，6#箱变l000kVA其它均为630 kVA。与光伏系统公共接入点相连的4#箱变变压器容量为630kVA，主要供小区公用负荷用电。天和家园公用负载主要有：地下车库西区照明灯352kW，地下车库东区照明灯214kW，智能化设备2 kW，以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。总负荷功率为586kW，大于光伏系统的峰值功率43kW ，且所安装的光伏系统峰值功率43kW。不到所连4#箱变容量的10，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。,5、防雷电设计（1）防直击雷措施（2）防感应雷措施a在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置，并分散安装在防雷接线箱内。屋顶光伏并网发电系统在组件与逆变器之间加入防雷接线箱，不仅对屋顶太阳能电池组件起到防雷保护作用。还为系统的检测、维修、维护提供了方便。缩小了电池组件故障检修范围。该设计选用了IP65防护等级的TRIFL型接线箱。并随组件方阵直接安装在室外。其接人方式参见图4。b在并网接人控制柜中安装避雷元件，以防护从低压配电线侵入的雷电波及浪涌。并网控制柜原理图参见图5所示。,6、电缆选择 组件之间的连接电缆和组件与逆变器之间的电缆都使用在户外，直接暴露在阳光下，因此，该光伏系统直流部分选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的DCEYHR系列电缆，以保证系统长时间的安全正常运行。7、支架设计 慈溪地区为沿海地区。在抗风压以及抗腐蚀方面采取了以下措施：a所有支架采用国标型钢，多点结合，即：增加钢支架与屋面结构和相关承重结构的连接点，将受力点均匀分布于各承重结构